聚氨酯加固南海鈣質(zhì)砂靜力特性試驗(yàn)研究

高運(yùn)昌， 尹 詩(shī)， 高 盟*， 陳青生

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590；2.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590；3.新加坡國(guó)立大學(xué)土木與環(huán)境工程系，新加坡 119077)

鈣質(zhì)砂是一種海洋生物成因的CaCO3含量超過(guò)50%以上的粒狀材料，廣泛分布于中國(guó)南海海域。特殊的物質(zhì)組成，使其表現(xiàn)出與陸源石英砂相不同的力學(xué)性質(zhì)[1-2]。由于國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，眾多學(xué)者對(duì)鈣質(zhì)砂的工程特性進(jìn)行了有益探索。張家銘等[3]通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)鈣質(zhì)砂在常壓和高壓下的剪切特性進(jìn)行了研究；王新志等[4]基于鈣質(zhì)砂室內(nèi)載荷試驗(yàn)，確定不同密實(shí)度下鈣質(zhì)砂的承載力及變形特性；朱長(zhǎng)岐等[5]利用飛秒切割技術(shù)獲得鈣質(zhì)砂顆粒的完整斷面，定量分析了鈣質(zhì)砂顆粒的內(nèi)孔隙參數(shù)；孫宗勛[6]對(duì)南海珊瑚砂進(jìn)行研究，得出珊瑚砂具有承載力小、基礎(chǔ)沉降大的特點(diǎn)。通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)來(lái)確定鈣質(zhì)砂物理性質(zhì)的研究成果頗豐，而對(duì)鈣質(zhì)砂地基加固處理的研究相對(duì)較少。由于鈣質(zhì)砂表現(xiàn)出易破碎、滲透性強(qiáng)、高壓縮等特性[7-8]，且砂質(zhì)地基松散性大。因此，有必要對(duì)鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固處理來(lái)提高地基的強(qiáng)度和整體性。

傳統(tǒng)的地基固化材料主要為水泥，但水泥干縮較大，易開(kāi)裂，初終凝時(shí)間無(wú)法調(diào)整，影響工程質(zhì)量，并且水泥的大量使用勢(shì)必會(huì)對(duì)南海的島礁生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，因此，需要尋求新的技術(shù)和方法來(lái)加固鈣質(zhì)砂地基。聚氨酯泡沫膠黏劑(polyurethane foam adhesive，PFA)是一種新型固化材料，其泡沫發(fā)生膨脹可填充土體縫隙,增強(qiáng)顆粒之間的黏結(jié)力,從而提高承載能力，而且施工應(yīng)用過(guò)程中無(wú)毒無(wú)污染，耐水性能好，對(duì)周邊環(huán)境基本沒(méi)有不利影響，符合南海綠色環(huán)保、生態(tài)的開(kāi)發(fā)理念。劉平等[9]利用聚氨酯改良土石壩堆石料，并采用有限元軟件進(jìn)行了安全穩(wěn)定性模擬；劉漢龍等[10]對(duì)高聚物膠凝堆石料進(jìn)行靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)，并探討高聚物加固堆石料的機(jī)制；高運(yùn)昌等[11]采用聚氨酯對(duì)海砂進(jìn)行加固，提高了海砂的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。聚氨酯泡沫注漿在土木工程領(lǐng)域中已有工程實(shí)例的應(yīng)用[12-14]。

基于此，通過(guò)聚氨酯加固南海鈣質(zhì)砂靜力三軸試驗(yàn)，研究聚氨酯對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度和變形特性的影響；又基于Duncan-Chang模型進(jìn)行三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，得到鈣質(zhì)砂Duncan-Chang模型的主要參數(shù)值，對(duì)南海填海造礁工程的地基處理問(wèn)題有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)儀器

利用TSZ-3型靜力三軸儀(圖1)進(jìn)行試驗(yàn)，該儀器采用軸向應(yīng)變進(jìn)行控制。試樣尺寸為直徑D=39.1 mm、高度H=80 mm，軸向應(yīng)變加載速率采用1.0 mm/min。

圖1 TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀Fig.1 Triaxial test apparatus TSZ-3

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用鈣質(zhì)砂取自中國(guó)南海某島礁附近海域，如圖2(a)所示。取適量干砂后篩除5 mm以上的大直徑顆粒，并測(cè)其粒徑分布，其中2～5 mm所占比例最大，為61.77%；1～2 mm次之，為33.0%；0.5～1 mm及小于0.5 mm的分別占比為4.65%和0.58%。

固化劑采用單組分聚氨酯泡沫膠黏劑，其剪切強(qiáng)度不小于80 kPa[15]，表干時(shí)間約為5 min，1 h后泡沫固化，3～5 h達(dá)到穩(wěn)定，固化后耐溫為-30～80 ℃。PFA固化前后對(duì)人體無(wú)害，并且注漿后不需養(yǎng)護(hù)，可以達(dá)到快速施工，縮短工期的工程要求[16]。

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)選取三個(gè)摻量(5%、8%、10%)來(lái)分析PFA含量對(duì)鈣質(zhì)砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。稱取所需質(zhì)量鈣質(zhì)砂與PFA后將兩者均勻攪拌，如圖2(b)所示。由圖2(b)可以看出，PFA將松散的鈣質(zhì)砂顆粒黏結(jié)在一起，整體性明顯增強(qiáng)。攪拌均勻后按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)[17]的規(guī)定制作三軸試樣。

圖2 聚氨酯膠凝鈣質(zhì)砂的前后形態(tài)Fig.2 Front and rear morphology of polyurethane gelled calcareous sand

不同PFA摻量與鈣質(zhì)砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系及強(qiáng)度提高值如圖3、表1所示。由圖3、表1可以看出，拌合鈣質(zhì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比原狀鈣質(zhì)砂有明顯提升，并且提升PFA摻量可獲得更好的固化效果(質(zhì)量比在10%以內(nèi)時(shí))。這說(shuō)明PFA的摻入將鈣質(zhì)砂顆粒黏結(jié)在一起，使砂粒間的黏聚力增加，有效改善了鈣質(zhì)砂的性能，可以顯著提升鈣質(zhì)砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。鈣質(zhì)砂自身黏聚力很小，黏粒含量基本為零，在未進(jìn)行任何固化時(shí)是無(wú)法進(jìn)行直立的。而試驗(yàn)所得鈣質(zhì)砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值達(dá)到表1中所示的23.6 kPa，主要是因?yàn)橄鹌つぴ黾恿藗?cè)向束縛作用以及鈣質(zhì)砂本身的嵌固效應(yīng)和水密效應(yīng)。

圖3 鈣質(zhì)砂抗壓強(qiáng)度與PFA摻量的關(guān)系Fig.3 The relationship between calcareous sand compressive strength and PFA content

表1 不同摻量PFA無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 1 Unconfined compressive strength of PFA with different content

3 不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究PFA對(duì)鈣質(zhì)砂靜力特性的影響，采用三軸儀分別對(duì)原狀鈣質(zhì)砂和PFA拌合鈣質(zhì)砂進(jìn)行不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，每組試驗(yàn)做3個(gè)平行試樣。

對(duì)原狀鈣質(zhì)砂在圍壓σ3=100 kPa下進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)，當(dāng)(σ1-σ3)-ε1曲線出現(xiàn)峰值時(shí)，取峰值偏應(yīng)力(σ1-σ3)為抗剪強(qiáng)度。為保證取值的合理，把相同試驗(yàn)條件下同組試樣的峰值平均值作為其破壞應(yīng)力強(qiáng)度σmax，即：

σmax=(σmax,1+σmax,2+σmax,3)/3=603.7 kPa

(1)

式(1)中：σmax,1、σmax,2、σmax,3分別為三個(gè)試樣的峰值應(yīng)力，如表2所示。

表2 σ3=100 kPa時(shí)原狀鈣質(zhì)砂峰值Table 2 The peak stress value of the original calcareous sand at σ3=100 kPa

圖4為不同圍壓下原狀鈣質(zhì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可知，鈣質(zhì)砂在不排水剪切試驗(yàn)時(shí)，隨著圍壓的增加，峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)龃?。這是由于鈣質(zhì)砂顆粒相較于石英砂更易發(fā)生破碎，在側(cè)向束縛增加的情況下，相同應(yīng)變條件下鈣質(zhì)砂壓縮性增大，使顆粒之間排列更加緊密，所能承擔(dān)的偏差應(yīng)力增加；鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度隨著軸向應(yīng)變?chǔ)?的增加逐漸地趨于穩(wěn)定，峰值位置不太明顯，在達(dá)到峰值強(qiáng)度之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)較小的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

圖4 不同圍壓下原狀鈣質(zhì)砂應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the original calcareous sand under different confining pressures

3.2 PFA對(duì)鈣質(zhì)砂峰值強(qiáng)度的影響

表3 σ3=100 kPa時(shí)PFA拌合鈣質(zhì)砂峰值表Table 3 The peak stress table of PFA mixed calcareous sand at σ3=100 kPa

相同試驗(yàn)條件下得到的應(yīng)力峰值出現(xiàn)一些差異，最大差值達(dá)到161.7 kPa，初步分析是與試樣在壓縮過(guò)程中的破壞位置有關(guān)，典型的試驗(yàn)破壞如圖5 所示，峰值偏低的左邊兩試樣破壞位置在試樣的偏上部，而峰值相對(duì)較高的試樣破壞位置出現(xiàn)在試樣中部。

圖5 σ3=100 kPa時(shí)PFA拌合試樣破壞圖Fig.5 Failure diagram of PFA mixed samples at σ3=100 kPa

圖6為不同PFA摻量的拌合鈣質(zhì)砂在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖6可知：①不同圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢(shì)相同。但相較于原狀鈣質(zhì)砂而言，峰值出現(xiàn)位置更加明顯，且出現(xiàn)時(shí)的軸向應(yīng)變?chǔ)?基本相同，不隨圍壓增大而發(fā)生明顯變化。說(shuō)明在工程應(yīng)用中拌合鈣質(zhì)砂的變形及沉降更容易被控制和監(jiān)察；②摻加PFA的鈣質(zhì)砂試樣，在到達(dá)峰值強(qiáng)度之后，所能承受的偏應(yīng)力有小部分降低，但都保持在了較高的承載強(qiáng)度水平，表明PFA的摻入使得鈣質(zhì)砂的承載能力有較大提升，且較為穩(wěn)定；③試樣的破壞位置對(duì)偏應(yīng)力峰值之后的曲線趨勢(shì)有明顯影響。從圖6(b)、圖6(c)可以看出，在峰值出現(xiàn)后試樣所能承受的偏應(yīng)力有明顯降低，此類試樣破壞位置均出現(xiàn)在試樣的偏上部，而在試樣中部破壞的，峰值之后的趨勢(shì)就比較穩(wěn)定。

圖6 不同圍壓下PFA拌合試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of PFA mixed samples under different confining pressures

表4給出了不同摻量的鈣質(zhì)砂在不同圍壓條件下的峰值以及相應(yīng)的軸向應(yīng)變。從表4中可以看出：①在應(yīng)力強(qiáng)度方面，與原狀鈣質(zhì)砂相比，PFA拌合試樣峰值有明顯提升，其中在100 kPa圍壓下的峰值強(qiáng)度提升最為明顯。質(zhì)量比為10%時(shí)，強(qiáng)度提升率為55%，圍壓升高后對(duì)鈣質(zhì)砂峰值強(qiáng)度提升率變得較為穩(wěn)定，在30%左右；②在軸向應(yīng)變方面，相較于未固化的鈣質(zhì)砂，摻加PFA的鈣質(zhì)砂試樣在應(yīng)變較小時(shí)就可承受較大的軸向壓力，并出現(xiàn)峰值?？偟貋?lái)說(shuō)，鈣質(zhì)砂在添加PFA之后的靜力特性發(fā)生顯著改變，顆粒骨架結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度得以提升，出現(xiàn)“小應(yīng)變，大應(yīng)力”的特點(diǎn)，即摻加PFA之后，在提高鈣質(zhì)砂承載力的同時(shí)，使鈣質(zhì)砂地基承受相同附加應(yīng)力所造成的沉降量變小。

表4 不同圍壓下的峰值強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?chǔ)?Table 4 The peak strength under different confining pressures and the corresponding axial strain ε1

圖7為不同PFA摻量的拌合鈣質(zhì)砂試樣的峰值強(qiáng)度和圍壓σ3之間的關(guān)系曲線，圍壓σ3=0時(shí)表示單軸抗壓強(qiáng)度值。由圖7可知：①PFA拌合鈣質(zhì)砂的峰值強(qiáng)度隨著固化劑摻量的增加而增大，含量越多，孔隙充填率就越高，顆粒重排列的阻力越大，加固效果越好(10%以內(nèi)時(shí))；②隨著圍壓的增加，峰值強(qiáng)度隨之增大，原狀鈣質(zhì)砂從0增加到100 kPa時(shí)增長(zhǎng)最為明顯，之后隨著圍壓增加有增速減緩的趨勢(shì)；在添加PFA之后，鈣質(zhì)砂峰值強(qiáng)度隨圍壓的升高以較為穩(wěn)定的增速增大。由此表明PFA作為膠凝材料對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行了改良，與空氣接觸后形成的膨脹泡沫被填入顆?？紫痘?qū)⑸邦w粒包裹，增強(qiáng)了鈣質(zhì)砂的整體性，從而達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。

圖7 不同圍壓下峰值強(qiáng)度與PFA摻量的關(guān)系曲線Fig.7 Curve of relationship between peak strength and PFA content under different confining pressures

分析可知，在摻加PFA之后，固化鈣質(zhì)砂強(qiáng)度明顯大于原狀鈣質(zhì)砂。因此，PFA對(duì)鈣質(zhì)砂抗剪性能的提升是非常有利的。對(duì)于鈣質(zhì)砂而言，其抗剪強(qiáng)度主要依靠砂粒之間的摩擦和咬合。在添加聚氨酯泡沫膠黏劑之后，泡沫填充到砂粒間的孔隙或?qū)㈩w粒包裹起來(lái)，原本松散的砂土顆粒被黏結(jié)在一起，使加載時(shí)的剪應(yīng)力由聚氨酯和砂粒共同承擔(dān)，因此聚氨酯膠凝鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度得以明顯提升。

4 Duncan-Chang模型

將不同周圍壓力σ3下不固結(jié)不排水試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用Duncan-Chang雙曲線模型[18]進(jìn)行擬合，即：

(2)

式(2)中：(σ1-σ3)為主應(yīng)力差；ε1為相應(yīng)于(σ1-σ3)的軸向應(yīng)變，由試驗(yàn)測(cè)定；a、b為取決于土性質(zhì)的試驗(yàn)參數(shù)。將式(2)改寫成：

(3)

由式(3)可以看出，ε1和ε1/(σ1-σ3)關(guān)系近似呈直線，則所得直線方程在坐標(biāo)軸上的截距為a，直線的斜率為b。

由于常規(guī)三軸試驗(yàn)的dσ2=dσ3=0，所以試樣切線模量Et為

(4)

PFA拌合試樣初始彈性模量記為Ei，則在試驗(yàn)的起始點(diǎn)，即ε1=0時(shí)，Et=Ei，則有：

(5)

式(5)表明截距a也代表試驗(yàn)中起始變形模量Ei的倒數(shù)。

圖8、圖9分別為原狀鈣質(zhì)砂和10%PFA拌合鈣質(zhì)砂在不同圍壓下 [ε1/(σ1-σ3)]-ε1的關(guān)系曲線和相應(yīng)的趨勢(shì)線。從圖8、圖9可以看出，Duncan-Chang模型可以對(duì)鈣質(zhì)砂三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果進(jìn)行較好擬合，能夠反映拌合鈣質(zhì)砂變形及受力的規(guī)律。通過(guò)趨勢(shì)線可確定出a、b，然后確定初始彈性模量Ei和破壞比Rf，如表5所示。破壞比由式(6)給出：

圖8 原狀鈣質(zhì)砂[ε1/(σ1-σ3)]-ε1曲線Fig.8 [ε1/(σ1-σ3)]-ε1 curve of the original calcareous sand

圖9 PFA拌合鈣質(zhì)砂[ε1/(σ1-σ3)]-ε1曲線Fig.9 [ε1/(σ1-σ3)]-ε1 curve of the mixed calcareous sand

表5 各圍壓下的Duncan-Chang模型參數(shù)值Table 5 Parameter values of Duncan-Chang model under various confining pressures

(6)

式(6)中：(σ1-σ3)f為鈣質(zhì)砂的破壞強(qiáng)度；(σ1-σ3)ult為極限偏差應(yīng)力，(σ1-σ3)ult=1/b。

初始彈性模量Ei隨圍壓σ3而變化，將試驗(yàn)得到的原狀鈣質(zhì)砂和10%PFA拌合試樣的初始彈性模量Ei和圍壓σ3在坐標(biāo)軸上繪制，如圖10所示。圖10表明Ei-σ3具有良好的線性關(guān)系，這與Duncan-Chang模型的結(jié)論是一致的。

圖10 初始彈性模量Ei隨圍壓σ3變化曲線Fig.10 Curves of initial elastic modulus Ei changing with confining pressure σ3

5 結(jié)論

(1)摻入PFA之后，鈣質(zhì)砂的單軸抗壓強(qiáng)度顯著提升，整體性明顯增強(qiáng)，抗壓性能得以有效改善。

(2)PFA的摻入使鈣質(zhì)砂三軸抗剪強(qiáng)度明顯增加，受力破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的變形量相較于原狀鈣質(zhì)砂更為穩(wěn)定，使其變形破壞更容易被監(jiān)察和控制。

(3)PFA的膨脹泡沫可充填砂?？紫痘?qū)㈩w粒包裹，固化之后將松散的砂粒黏結(jié)在一起，使聚氨酯和砂顆粒共同承受剪切應(yīng)力，從而達(dá)到提高承載力的目的；同時(shí)，減少了相同應(yīng)力條件下鈣質(zhì)砂地基的沉降量。

(4)Duncan-Chang模型可以較好地?cái)M合三軸試驗(yàn)(σ1-σ3)-ε1曲線，反映聚氨酯固化鈣質(zhì)砂的變形及應(yīng)力規(guī)律。